一种增强永磁电动悬浮导向系统阻尼特性的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置，包括永磁体阵列、磁体套筒、永磁体块、反应板、阻尼板、背铁以及结构支撑件，所述套筒有多个相互隔开的容纳空间，所述永磁体阵列固定在磁体套筒内部，套筒材料是铝合金，或不锈钢或其它的导电非导磁材料，所述永磁体阵列置于所述反应板上方，和反应板平行，且相对所述反应板在水平方向上运行。本发明专利技术通过在永磁电动悬浮系统中增加磁钢套筒和阻尼板。当系统产生振动时，由于电磁相互作用在磁钢套筒和阻尼板上，产生感应涡流，进而产生欧姆损耗而发热，最终把磁悬浮车的振动能量转化为热量而被耗散，使得振动快速衰减，从而保证磁悬浮车的系统运行稳定性。车的系统运行稳定性。车的系统运行稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种增强永磁电动悬浮导向系统阻尼特性的装置


[0001]本专利技术涉及永磁电动悬浮仿真
，具体涉及一种增强永磁电动悬浮导向系统阻尼特性的装置、以及永磁电动悬浮装置的阻尼参数提取方法。

技术介绍

[0002]由于在运行速度、爬坡能力、转弯半径、静噪等方面存在的诸多优势，磁浮轨道交通技术在众多新型轨道交通方式中脱颖而出，受到越来越多的关注。目前，磁悬浮技术主要有电磁悬浮和电动悬浮两种方式，后者的优势在于应用速度下，悬浮间隙较大，具有自稳定、结构简单等优点，尤其是永磁电动悬浮，不会像超导体具有失超的危险，经济节能，更加稳定可靠。
[0003]但是电动悬浮系统稳定性较低，在系统受到干扰时容易发生振动甚至失稳，因此需要为电动悬浮系统额外设置阻尼系统。目前，常用的阻尼方法分为主动阻尼和被动阻尼。其中，主动阻尼一般为有源线圈，通过调节线圈电流来调节阻尼力，阻尼效果好，但是其作用气隙小，且需要增加电源、传感器和控制器，增加了系统电气复杂度，一定程度上抵消了被动悬浮气隙大、结构简单的优点。被动阻尼方法一般为无源感应线圈，但无源线圈阻尼作用有限，效果较差。胡道宇等在中国电机工程学报第41卷13期2021.07中的论文“超导电动悬浮系统阻尼特性研究”对超导电动悬浮垂向与导向自由振动与强迫振动特性、基于振动能量法的阻尼评价方法等进行了分析。Jianliang He and Howard Coffey在IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.33,NO.5,SEPTEMBER 1997发表的文章“Magnetic Damping Forces in Figure
‑
Eight Shaped Null Flux Coil Suspension Systems”中分析了超导悬浮导向系统系统中通过在车载超导线圈和轨道零磁通线圈之间设置的阻尼板实施阻尼的特性。H.Ohsaki等在6th International Symposium on Superconductivity,Hiroshima,Japan,Oct.26
‑
29,1993研究了"Damping characteristics ofthe superconductive maglev vehicle".
[0004]同时，目前尚无成熟的永磁电动悬浮导向阻尼特性的计算方法、提取和评价方法，缺乏对法向运动方向阻尼随速度、振频和振幅等参数变化关系的研究。此外，采用解析方法进行整个永磁悬浮装置的动力学计算时，整个方法中涉及的公式推导繁琐、难以理解，采用有限元方法计算式耗时多达数天到数十天。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置和阻尼系数提取方法，旨在解决电动悬浮导向系统动态运动过程振荡问题，同时为复杂的仿真计算过程提供一种解决方案。
[0006]一种增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置，其特征在于，包括永磁体阵列、磁体套筒、永磁体块、反应板、阻尼板、背铁以及结构支撑件，所述套筒有多个相互隔开的容纳空间，所述永磁体阵列固定在磁体套筒内部，套筒材料是铝合金，或不锈钢或其它的导电非导
磁材料，所述永磁体阵列置于所述反应板上方，和反应板平行，且相对所述反应板在水平方向上运行。
[0007]所述阻尼板在面向反应板一侧，是磁体套筒的一个面，或是与磁体套筒粘结或铆接或螺栓连接在一起的独立阻尼板，其厚度比套筒其他五个面的厚度大或采用导电性能更好的材料。
[0008]进一步地，所述永磁体阵列可以由多块平行充磁的永磁体构成，也可以是以Halbach方式排列的永磁阵列。
[0009]进一步地，所述反应板可以是铝合金板或其他导电不导磁金属板，反应板背面不能有铁磁材料。反应板的厚度满足运动的永磁体阵列产生的磁场的透过能力，涡流效应不受空间限制而削减悬浮力。
[0010]进一步地，设置永磁体阵列相对反应板的水平运行速度w适中，不能超过永磁体阵列相对反应板的最高相对运行速度。
[0011]进一步地，所述永磁体阵列相对所述反应板运动，使所述反应板产生涡流，涡流场和永磁磁场之间产生排斥力，在法向力方向上表现为克服悬浮系统重力的电磁力F
EM
。
[0012]进一步地，当电磁力等于永磁体阵列的自身重力时，永磁体阵列平稳运动，不产生法向速度。
[0013]根据本专利技术的另一方面提出一种利用所述的增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置进行阻尼系数提取的方法，包括如下步骤：
[0014]步骤1、利用有限元仿真软件构建永磁电动悬浮装置的二维模型；
[0015]步骤2、将永磁体法向位移的微分du/dt表示为法向速度v，将永磁体阵列法向速度的微分dv/dt表示为在系统重力mg、永磁体阵列与反应板之间的排斥式电磁力、施加外力三者之和的力作用下的系统加速度；
[0016]步骤3、建立永磁体阵列的法向运动过程；
[0017]步骤4、求解瞬态场，提取电磁力F
EM
、永磁体阵列的法向速度v和法向位移u三组数据；
[0018]步骤5、利用多项式F
EM
(u,v)＝b0+b1u+b2v+b3u2+b4u3进行拟合，b0、b1、b2、
b3
和b4为对电磁力F
EM
进行曲线公式拟合时的系数，法向速度v的系数b2作为阻尼系数；
[0019]步骤6、将b2数值代入动力运动微分方程中的阻尼系数c，其中，m代表质量，x代表位移，t代表时间，c代表阻尼系数，k代表弹性系数，计算位移x；
[0020]步骤7、通过上述微分方程计算得到的位移x结果与有限元仿真中提取的法向位移u结果比较修正阻尼系数。
[0021]进一步的，利用有限元仿真软件构建二维磁场，磁场域至少包括永磁体阵列、固定永磁体阵列的套筒、反应板和结构支撑件。
[0022]设置所述永磁体阵列在垂直方向上距离反应板的初始悬浮间隙h1，设置反应板的水平运行速度w。
[0023]采用“全局常微分和微分代数方程”接口，根据牛顿第二运动定律，求解永磁体阵列法向位移和法向速度的一阶常微分方程为：
[0024][0025][0026]其中v是法向速度，u是法向位移，mg是永磁体阵列的自身重力，F
EM
是永磁体阵列和反应板之间的排斥电磁力、F
EX
是运动过程中对永磁体阵列或反应板的施加外力，法向为垂直于永磁体阵列表面的方向，也是垂直于地面的方向。
[0027]进一步地，在初始时刻，设置所述永磁体阵列相对所述反应板以水平速度v运动。在初始悬浮间隙h1下，所述永磁体阵列和所述反应板之间的电磁力与自身重力相等，施加外力为0。
[0028]进一步地，在所述永磁体阵列运动一段时间后，改变施加外力F
EX
的大小。在施加外力F
EX
作用下，所述永磁体阵列产生法向加速度，导致所述永磁体阵列在法向移动。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置，其特征在于，包括：永磁体阵列、磁体套筒、永磁体块、反应板、阻尼板、背铁以及结构支撑件，所述套筒有多个相互隔开的容纳空间，所述永磁体阵列固定在磁体套筒内部，套筒材料是铝合金，或不锈钢或其它的导电非导磁材料，所述永磁体阵列置于所述反应板上方，和反应板平行，且相对所述反应板在水平方向上运行。2.根据权利要求1所述的增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置，其特征在于，所述阻尼板在面向反应板一侧，是磁体套筒的一个面，或是与磁体套筒粘结或铆接或螺栓连接在一起的独立阻尼板，其厚度比套筒其他五个面的厚度大或采用导电性能更好的材料。3.根据权利要求1所述的增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置，其特征在于：所述永磁体阵列由多块平行充磁的永磁体块构成，或是以Halbach方式排列的永磁阵列。4.根据权利要求1所述的增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置，其特征在于：所述反应板是铝合金板或其他导电不导磁金属板，反应板背面不能有铁磁材料，反应板的厚度满足运动的永磁体阵列产生的磁场的透过能力，涡流效应不受空间限制而削减悬浮力。5.根据权利要求1所述的增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置，其特征在于：所述永磁体阵列相对所述反应板运动，使所述反应板产生涡流，涡流场和永磁磁场之间产生排斥力，在法向力方向上表现为克服悬浮系统重力的电磁力F
EM
；进一步地，当电磁力等于永磁体阵列的自身重力时，永磁体阵列平稳运动，不产生法向速度。6.一种利用权利要求1
‑
5之一所述的增强永磁电动悬浮导向系统阻尼的装置进行阻尼系数的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、利用有限元仿真软件构建永磁电动悬浮装置的二维模型；步骤2、将永磁体法向位移的微分du/dt表示为法向速度v，将永磁体阵列法向速度的微分dv/dt表示为在系统重力mg、永磁体阵列与反应板之间的排斥式电磁力、施加外力三者之和的力作用下的系统加速度；步骤3、建立永磁体阵列的法向运动过程；步骤4、求解瞬态场，提取电磁力F
EM
、永磁体阵列的法向速度v和法向位移u三组数据；步骤5、利用多项式F
EM
(u,v)＝b0+b1u+b2v+b3u2+b4u3进行拟合，b0、b1、b2、
b3
和b4为对电磁力F
EM
进行曲线公式拟合时的系数，法向速度v的系数b2作为阻尼系数；步骤6、将b2数值代入动力运动微分方程中的阻尼系数c，其中，m代表质量，x代表位移，t代表时间，c代表阻尼系数，k代表弹性系数，计算位移x；步骤7、通过上述微分方程计算得到的位移x结果与有限元仿真中提取的法向位移u结果比较修正阻尼系数。7.根据权利要求7所述的阻尼系数的提取方法，其特征在于：利用有限元仿真软件构建的磁场域至少包括永磁体阵列、固定永磁体阵列的套筒、反应板和结构支撑件。8.根据权利要求7所述的阻尼系数的提取方法，其特征在于，设置所述永磁体阵列在垂直方向上距离反应板的初始悬浮间隙h1，设置反应板的水平运行速度w，步骤3中所述永磁体阵列的运动过程如下：(1)初始时刻，设置所述永磁体阵列相对所述反应板以某个水平运行速度稳定运动；在初始悬浮间...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐炜钰，史黎明，王培龙，李耀华，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：